Modellierung - für die Massen

Moderne Software und Hardware revolutionierten die Arbeit von Konstrukteuren und Designern. Das Entwerfen mit Modellierung bringt viele Vorteile mit sich, darunter:

• Sparen Sie Zeit und Geld mit weniger physischen Tests
  
• Die Fähigkeit, zu Beginn schnell die besten Lösungen zu finden;
  
• Experimentierfreiheit auf der Basis von "Was wäre wenn", insbesondere bei der Schaffung von Produkten für neue Märkte.
  

Die weitere Implementierung der Modellierung bietet Konstrukteuren noch mehr Vorteile. Aber technologische und personelle Probleme, die Gewohnheit, "auf die Rändelung" zu reagieren, erlauben es Unternehmen nicht, das Potenzial der Methodik vollständig aufzudecken. Was kann einen Unterschied machen?

1. Fortschritte in Hardware und Software

Die Rechenleistung wird immer erschwinglicher und die Modellierungssoftware wurde optimiert, um sie voll auszunutzen. Dank dessen können Designer die Modellierung voll ausnutzen.

Es ist beispielsweise interessant, die COMSOL Multiphysics-Software auf einer Dell Precision-Workstation vor drei Jahren mit ihren aktuellen Gegenstücken zu vergleichen (Details siehe unten). Wie sich herausstellte, experimentieren moderne Hardware- und Softwareversuche mit Modellen bis zu sechsmal schneller!



COMSOL Multiphysics ist für die Unterstützung der neuesten Hardware optimiert. Mit der Hybridmodellierungsfunktion und der Floating Network-Lizenz können Sie große Projekte auf Standardarbeitsstationen mit Unterstützung für die parallele Datenverarbeitung oder auf Multi-Core-Multi-Node-Clustern rendern.

Multiphysics-Softwarepaket Das Softwarepaket COMSOL dient zur Simulation aller physischen Systeme. COMSOL Multiphysics umfasst die grafische Benutzeroberfläche (GUI) von COMSOL Desktop sowie eine Reihe vorkonfigurierter Benutzeroberflächen und Tools, die für Standardmodellierungsaufgaben entwickelt wurden. Zusätzliche Module erweitern die Funktionen der Plattform und ermöglichen die Modellierung in bestimmten Bereichen sowie die Integration in Softwarepakete von Drittanbietern. Die Module ergänzen die grundlegenden physikalischen Schnittstellen des COMSOL Multiphysics-Pakets, mit dem Sie komplexe elektrische, mechanische, hydrodynamische und chemische Phänomene simulieren können. Um komplexe multiphysikalische Probleme zu lösen, können Sie beliebig viele Module kombinieren. Das COMSOL Multiphysics-Paket enthält auch eine Anwendungsentwicklungsumgebung, mit der Sie praktische Benutzeroberflächen erstellen können, die allen interessierten Mitarbeitern des Unternehmens mathematische Modelle zur Verfügung stellen.

2. Verfügbarkeit spezialisierter Software nicht nur für Experten

Um Engpässe bei der Modellierung zu vermeiden, sind nicht nur die neueste Hardware und Software erforderlich. Um Modelle zu erstellen, Berechnungen durchzuführen und Ergebnisse zu analysieren, sind umfangreiche Kenntnisse erforderlich, die den meisten Unternehmen fehlen. Selbst mit den schnellsten Computern und der neuesten Software können Unternehmen nicht ohne die Hilfe von Experten arbeiten.

Eine Lösung für das Problem besteht darin, die erforderlichen Fähigkeiten mithilfe von Anwendungen, die relativ einfach zu erlernen sind, an ein breites Spektrum von Spezialisten zu verteilen. Die Technologien COMSOL Application Builder und COMSOL Server ermöglichen somit die Modellierung in COMSOL Multiphysics für das gesamte Designerteam.



Selbst Mitarbeiter, die sich in der Branche nicht auskennen, können komplexe Probleme ohne die Hilfe von Experten lösen - Variablen anpassen, Modellierungsprozesse starten und die richtigen Antworten erhalten.

Anwendungen können auf COMSOL Server heruntergeladen werden - ein Programm, mit dem Sie sie von überall in jedem Browser oder speziellen Desktop-Client ausführen können.

Daher demokratisieren Application Builder und COMSOL Server die Simulation. Unternehmen nutzen diese Anwendungen, um Forschung und Entwicklung zu optimieren, die Fähigkeiten ihrer Ingenieure zu erweitern und sich von Routineaufgaben zu befreien, indem sie sich auf Lösungen auf hoher Ebene konzentrieren.

3. Die Verbreitung einer "Modellierungskultur"

Angesichts der zunehmenden Komplexität der Produkte und der Verkürzung der Markteinführungszeit sind Ingenieure und Unternehmer bereit, den Workflow für ihr Hauptziel - Innovation - zu ändern. Dennoch ist die Einführung des simulationsbasierten Designs ein großes Ereignis, das die gemeinsamen Anstrengungen des Managements und der normalen Mitarbeiter erfordert. Manager müssen die Vorteile der Modellierung verstehen und den Return on Investment in diese Technologie richtig bewerten.

Durch die Masseneinführung der Modellierung können Unternehmen immer bessere Produkte entwickeln, ihre Markteinführungszeit verkürzen und damit die Konkurrenz übertreffen. Jetzt können sich die meisten Engineering-Unternehmen nicht mehr vorstellen, wie Produkte ohne Modellierung über der Basis erstellt werden können. Bis vor kurzem beschränkte die Komplexität der Technologie ihre Verwendung und erlaubte es nicht, das volle Potenzial ihres Potenzials auszuschöpfen.



Software zur Modellierung mit ihren mathematischen Gleichungen, einem komplizierten Installationsverfahren und einer komplexen Benutzeroberfläche ist seit langem „am Rande“ der Technik geblieben. Es war für eine kleine Gruppe ausgebildeter Forscher und Entwickler gedacht, die ein gutes Verständnis für die Einstellung bestimmter Parameter hatten. Die Software hatte auch eine eingeschränkte Funktionalität, so dass sie bei der Erstellung komplexer innovativer Produkte nur unzureichend für die Lösung vielfältiger Aufgaben geeignet war.

Hardwareeinschränkungen

Der Umfang der Modellierung wurde bei den technischen Anforderungen für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und die rechnergestützte Fluiddynamik (CFD) noch weiter eingeschränkt. Alten Workstations fehlte die Fähigkeit, komplexe Modelle und intensive Computerprozesse angemessen zu verwalten.

Der Mangel an qualifizierten Fachkräften und die lange Zeit unzureichende Kapazität von Arbeitsplätzen hinderten Unternehmen daran, das volle Potenzial der Modellierung auszuschöpfen. Aber heute sind die Hindernisse beseitigt. Die Technik kann von fast allen Designern verwendet werden - insbesondere in den frühen Stadien, wenn sie das Ergebnis am meisten beeinflusst. Durch die Beteiligung an der Modellierung des gesamten Teams in allen Phasen der Arbeit können Sie das Beste daraus machen.

Die weit verbreitete Verwendung der Modellierung (insbesondere für Design und Entwicklung) stimuliert einen iterativen Arbeitsansatz und ermöglicht es Unternehmen, mehr Alternativen in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus wird die Abhängigkeit von teuren physischen Prototypen verringert und es wird möglich, schnell die optimalen Designs zu bestimmen.

Computersimulation oder physikalische Tests? Die Computermodellierung verschiedener physikalischer Prozesse beschleunigt den Produktentwicklungsprozess erheblich und kann die Montage von Testmodellen erheblich einsparen. Mithilfe moderner Rechenleistung und Software können Ingenieure den Betrieb einzelner Komponenten und Knoten komplexer Systeme simulieren und so die Anzahl der erforderlichen physischen Tests reduzieren, bevor ein neues Produkt auf den Markt gebracht wird. Die Branche steht vor Herausforderungen wie der Zeit für die Entwicklung eines neuen Produkts und den Entwicklungskosten. In der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie ist das Modellieren fast unmöglich. Es hilft, die Entwicklung erheblich zu beschleunigen und die Kosten zu senken. Das Aufkommen moderner Computersysteme, die in der Lage sind, die dynamischen Eigenschaften von Objekten unter verschiedenen Einflüssen zu simulieren, hat die Modernisierung von Ständen für physikalische Tests sowie die Entwicklung von Testmethoden in den Hintergrund gerückt. Viele Unternehmen versuchen, sich für die Modellierung zu entscheiden, da dies die Kosten und die Entwicklungszeit minimiert. In einigen Studien kann jedoch nur der Prozess der physikalischen Prüfung des Produkts eine genaue Antwort geben.

Evolution: Hart und Weich

Hersteller und Experten haben große Anstrengungen unternommen, damit die Vorteile der Modellierung bei der Erstellung von Projekten einer Vielzahl von Spezialisten zur Verfügung standen. Jetzt profitieren Unternehmen jedoch gerade erst von der massiven Implementierung der Methodik. Dies wird durch Fortschritte in vielen technologischen Bereichen und deren weit verbreitete Anwendung in der Praxis erleichtert. Leistungsstarke Prozessoren, leistungsstarke Solid-State-Laufwerke (SSDs) und eine große Speicherkapazität ermöglichen es modernen Workstations, Probleme mit großen Modellen erfolgreich zu lösen. Hier werden auf einer neuen Ebene die Möglichkeiten der parallelen Datenverarbeitung genutzt.

Niedrigere Preise für Workstations machten sie für eine breite Palette von Benutzern verfügbar. Jetzt können Unternehmen mit derselben Investition ihre Rechenleistung erheblich steigern.

Um Modellierungsaufgaben zu lösen, die für eine durchschnittliche Workstation zu komplex sind, können Erfolge im Bereich High Performance Computing (HPC) erzielt werden. Heute steht Unternehmen die Cluster-Technologie zur Verfügung. Führende Simulationssoftware ist für HPC-Cluster zertifiziert, und eine neue Generation von Software erleichtert die Verwaltung.

Auch die Simulationssoftware hat sich in den letzten Jahren erheblich verändert. Neue intuitive Benutzeroberflächen glätten die Komplexität der Technologie, und die Anwendungen selbst sind viel leistungsfähiger und gleichzeitig einfacher zu konfigurieren.



Anbieter von Simulationssoftware arbeiten aktiv an der Zertifizierung. Sie optimieren Programme, um alle Funktionen einer modernen Workstation zu nutzen: Multicore, aktualisierte Anweisungen, schnellere SSDs. Parallele Datenverarbeitung und Multithread-Arbeit ermöglichen es Ihnen, komplexe Probleme viel schneller und genauer zu lösen.

Zeitmaschine: von 2012 bis 2015

Vor dem Hintergrund derart radikaler Änderungen haben wir untersucht, welche Ergebnisse zu einer Steigerung der Hardwareleistung und zur Aktualisierung der Software auf die neueste Version führen. Beispielsweise haben wir vor drei Jahren die aktuelle Konfiguration einer Dell-Workstation und die neueste Version von COMSOL Multiphysics mit denselben Produkten verglichen.

Alle drei Jahre bewertet ein durchschnittliches Unternehmen seine Fähigkeit, Hardware und Software zu aktualisieren. Zu diesem Zweck analysiert ihr Management den formalen Return on Investment (ROI).

Vergleichen wir die neueste Version der COMSOL Multiphysics-Software auf einer modernen Workstation mit der Hardware und Software, die vor drei Jahren Standard war. Überlegen Sie insbesondere, wie lange es dauert, verschiedene Modelle auf der Dell Precision T3500-Workstation und der Workstation der aktuellen Generation - Dell Precision Tower 7810 - zu erstellen.

Der Dell Precision T3500 ist mit einem einzelnen Intel Xeon W3505-Prozessor mit einer Taktrate von 2,53 GHz, zwei Kernen, 12 GB RAM und einer 300 GB-Festplatte ausgestattet. Es läuft unter Windows 7 Pro und verwendet COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.

Die moderne Workstation Dell Precision Tower 7810 ist mit zwei Intel Xeon E5-2687W v3-Prozessoren ausgestattet, die mit einer Frequenz von 3,1 GHz arbeiten und 20 Kerne verwenden. Das System ist mit 64 GB RAM, einem 500 GB SCSI-Laufwerk und einem 512 GB Samsung SS85 SSGB ausgestattet. Die MPI-Schnittstelle bietet Unterstützung für die hybride Parallelverarbeitung vom Clustertyp. Die Software ist immer noch Windows 7 Pro (daher ist unser Vergleich objektiv), aber die neueste Version von COMSOL ist installiert - 5.0.1.276.

Wir haben verschiedene Modelltypen ausgewählt, um zu sehen, wie COMSOL die neuen Geräte voll ausnutzt.

• 3D-Fluid-Struktur-Wechselwirkung, die laminare Strömung und Strukturmechanik verwendet.
  
• Tonpilz-Piezo-Wandler (Tonpilz-Piezo-Wandler-Modell), das parametrische Forschung erfordert.
  
• Aluminiumextrusion (Aluminiumextrusionsmodell), das Strukturmechanik, Laminarströmung und Wärmeübertragung kombiniert.
  
• Elektrischer Schalter (Modell des elektrischen Schalters), der Strukturmechanik, elektrischen Strom und Wärmeübertragung umfasst.
  

Der Schlüssel zu einem effektiven Simulationsmanagement sind neue Geräte mit der neuesten Software. Für unseren Test haben wir verwendet:

Hardware-Plattform	Dell Precision T3500 Workstation (veröffentlicht vor 3 Jahren)	Dell Precision Tower 7810 Moderne Workstation
CPU	Intel Xeon CPU W3505, 2,53 GHz	Zwei Intel Xeon E5-2687W v3-Prozessoren mit jeweils 3,1 GHz
Anzahl der Kerne	2	20
RAM	3x4 GB	4 x 16 GB
Lagerung	300 GB SATA-Festplatte	500 GB SCSI-Festplatte, Samsung SM841N Solid State Drive (SSD)
Software	Betriebssystem Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 4.2.0.288	Betriebssystem Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 5.0.1.276
MPI	- -	Wird für die hybride parallele Datenverarbeitung verwendet

Simulationsergebnisse

Die Modellierung physikalischer Prozesse an Arbeitsplätzen über drei Jahre hat erhebliche Fortschritte erzielt - sowohl hinsichtlich der Größe der Modelle als auch hinsichtlich ihrer Komplexität und natürlich hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit. Dank der viel größeren Anzahl von Kernen und der Speicherkapazität, der parallelen Datenverarbeitung und der Hybridmodellierungsfunktionen zeigte der Dell Precision Tower 7810 eine bis zu sechsmal höhere Leistung (je nach Modelltyp und Gebiet der Physik). Beispielsweise dauerte die Arbeit mit dem Aluminium-Extrusionsmodell mit 4,23 Millionen Freiheitsgraden vor drei Jahren 920 Sekunden und jetzt nur noch 153 Sekunden: sechsmal weniger.

Das 290.000-Grad-3D-Fluid-Struktur-Interaktionsmodell für Dell Precision T7810 und COMSOL 5.0.1.276 wurde in 906 Sekunden verarbeitet, verglichen mit 4617 Sekunden für Dell Precision T3500 und COMSOL 4.2.0.288. Dies ist eine Verfünffachung der Geschwindigkeit. Das Modell eines elektrischen Schalters wird jetzt viermal schneller verarbeitet - in 255 Sekunden anstelle von 1028. Das Tonpilz-Modell mit 56.000 Freiheitsgraden zeigte aufgrund seiner geringen Größe bescheidenere Ergebnisse. Bei neuen Geräten mit der neuesten Version von COMSOL hat sich die Geschwindigkeit jedoch mehr als verdoppelt: 209 Sekunden gegenüber 481 Sekunden bei Hardware und Software vor drei Jahren.

Der Betrieb älterer Workstations oder Softwareversionen ist für Unternehmen mit kleinem Budget üblich. In Wirklichkeit verlieren sie jedoch mehr, wenn sie versuchen, veraltete Ressourcen zu simulieren, die nicht der wachsenden Größe und Komplexität von Projekten entsprechen.

Fortschritte in der Hardware in den letzten drei Jahren haben dazu beigetragen, die Simulations- und Datenverarbeitungsgeschwindigkeit drastisch zu erhöhen. Moderne Workstations sind mit Prozessoren mit einer großen Anzahl von Kernen ausgestattet, sodass sie für die Parallelverarbeitung verwendet werden können - eine Option, die vor drei Jahren nur in Clustern verfügbar war.

Moderne Modellierungssoftware unterstützt automatisch mehrere Kerne und die Funktion der parallelen Datenverarbeitung. Zuvor musste ein speziell ausgebildeter Fachmann manuell Änderungen vornehmen, um die Software für die parallele Verarbeitung auf einer bestimmten Plattform zu konfigurieren.



Aufgabe: Aluminiumextrusion
Anzahl der Freiheitsgrade: 4.235.000
Gebiet der Physik: das Zusammenspiel von Strukturmechanik, laminarer Strömung und Wärmeübertragung
Entscheidungszeit
Workstation und Software vor drei Jahren: 920 Sek
Moderne Workstation und aktuelle Softwareversion : 153 Sek
Geschwindigkeitssteigerung: 6,01-fach



Aufgabe: 3D-Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Anzahl der Freiheitsgrade: 290.000
Gebiet der Physik: enge Wechselwirkung zwischen laminarer Strömung und Strukturmechanik
Entscheidungszeit
Workstation und Software vor drei Jahren: 4617 Sek
Moderne Workstation und aktuelle Softwareversion: 906 Sek
Geschwindigkeitssteigerung: 5,1-fach



Aufgabe: Elektrischer Multiphysikschalter
Anzahl der Freiheitsgrade: 115.000
Gebiet der Physik: enge Wechselwirkung von Strukturmechanik, elektrischem Strom und Wärmeübertragung
Entscheidungszeit
Workstation und Software vor drei Jahren: 1028 Sek
Moderne Workstation und aktuelle Softwareversion: 255 Sek
Geschwindigkeitssteigerung: 4,03-fach



Aufgabe: Tonpilz Piezo-Wandler
Anzahl der Freiheitsgrade: 56.000
Gebiet der Physik: Parametrische Untersuchung der Wechselwirkung einer akustischen Struktur mit einem piezoelektrischen Wandler
Entscheidungszeit
Workstation und Software vor drei Jahren: 481 Sekunden
Moderne Workstation und aktuelle Softwareversion: 209 Sek
Geschwindigkeitssteigerung: 2,3-fach

Dell Precision Tower 7810 Workstation

Die aktuelle Generation von Dell Precision-Workstations umfasst das Dell Precision Tower 7810-Modell mit zwei Intel Xeon E5-2600 v3-Prozessoren (jeweils bis zu 18 Kerne), die neuesten NVIDIA Quadro- und AMD FirePro-Grafikkarten sowie bis zu 256 GB Systemspeicher mit innovativer DDR4-RDIMM-Technologie . Das spezielle Gehäusedesign erleichtert den Zugriff auf Systemkomponenten und vereinfacht Systemaktualisierungen.

Zu den Optionen für den Dell Tower 7810 gehört eine PCIe-SSD mit aktiver Kühlung, die bis zu 180% schneller ist als eine herkömmliche SATA-SSD. Herkömmliche Festplattenoptionen sind ebenfalls verfügbar. Diese Konfiguration hat fast keine Auswirkungen auf die Leistung: Intel CAS-W-Softwarelösungen bieten eine E / A-Geschwindigkeit, die mit einem Solid-State-Laufwerk zum Preis einer normalen Festplatte vergleichbar ist.

Dell Precision Stations sind von Drittanbietern zertifiziert, um den reibungslosen Betrieb aller gängigen Designanwendungen zu gewährleisten. Die Dell Precision Optimizer-Software verbessert die Systemleistung, indem sie automatisch so optimiert wird, dass jedes Programm mit maximaler Geschwindigkeit ausgeführt wird.



Dell Precision 7810 bietet auch Sicherheitslösungen: Verschlüsselung, erweiterte Authentifizierung und Malware-Schutz.

Im nächsten Artikel werden wir detailliert beschreiben, welche Entwurfsaufgaben Unternehmen an Dell Workstations lösen, wie sie Simulationen verwenden und welche Ergebnisse sie damit erzielen.